机器人平台助力欧美航空自动铺丝高效化发展

时间:2020-09-07 18:33   来源:

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波音X-32飞机S型进气道也采用自动铺丝技术

自动铺丝技术(AFP)以其铺放灵活性和更低的废料率拓宽了复合材料的应用范围,实现了复合材料结构的“低成本、高性能”制造。近年来,用于制造大型复杂复合材料构件的自动铺丝技术获得了快速发展并得以工业化应用,其装备形式也呈多样化发展。基于机器人平台的自动铺丝技术以其高效铺放复杂构件的优势,受到了航空制造领域的高度关注。

应用背景

复合材料在航空工业中用量的大幅提升离不开自动化制造技术的强力支撑,如纤维缠绕、自动铺带、自动铺丝等技术。其中,自动铺丝技术以其实时性与可控性的优势,逐渐成为大型复合材料复杂部件的典型制造技术。典型的自动铺丝设备主要由机床主体、纱架系统、铺丝头三部分组成,根据机床主体的不同可分为立式、卧式和龙门式。

但受装载铺丝头的运动平台限制,对于不规则曲面类构件,机床型铺设设备往往无法满足轨迹、姿态调整与参数控制等方面的要求。此外,机床型铺丝装备体积大,面对小型、小批量部件铺设需求时运行成本较高。相比之下,工业机器人手臂能够提高铺丝头在可控空间范围内的姿态调整能力,增加了铺放过程中的柔性,可以满足回转部件的铺丝成型,提高铺放生产效率,降低设备运行成本。另一方面,各大机器人厂商如KUKA、ABB、FANUC等公司可以提供产品化的成熟机器人及控制系统,搭建铺放系统时可以依赖机器人本身的控制方案,既可靠稳定,又相对省时经济。因此,搭载机器人平台的铺丝装备因具备明显优点而逐渐成为发展与应用的热点。近年来,欧美各装备制造公司都针对搭载机器人平台的自动铺丝技术与生产模式展开了研究。

机器人自动铺丝的主要形式

根据平台主体与铺设模式的不同,机器人铺设可以分为单机器人模块化铺设、多机器人协同铺设以及可移动机器人自动化铺设三种类型。

1.单机器人模块化铺设单机器人铺设是目前应用最广且稳定高效的铺设形式。在进行铺放工作时,铺丝头通过末端法兰与机器人平台连接,可以为不同模具分别设计可拆装的铺丝头。这种模块化的铺放系统更具针对性,能更好地适应不同情况下的铺放需求。

法国Coriolis Composites公司是开发机器人自动铺丝设备的先行者,其研发的机器人式自动铺丝机功能强大,集成了预浸纱的储藏、输送、引导与切断等功能,铺丝头的运动功能通过一台KUKA或ABB机器人来实现。目前,Coriolis的新型铺丝头可以兼容铺放热固性、热塑性材料和干纤维,只要更换相应的加热模块,就能够一头多用。

为了进一步打入大型结构件市场,Coriolis 开发了新款C5自动铺丝机。C5自动铺丝机具备极高的铺丝效率、极低的废料产生率,是世界最先进、灵活的干纤维铺放系统之一,充分满足了几何形态高度复杂的零部件的生产需要,保证了航空工业对精度和重复生产的要求。

马其顿Mikrosam公司研发的自动铺丝系统可以在平面、弯曲和圆柱面上加工热塑性材料,并实现原位固化。这种8轴的机器人AFP系统能够自动精确地实现纤维铺放、预浸料放置,为采用复合材料制备复杂3D零件等提供可能。此外,该系统使用激光加热源,可实现精确的温度控制及热固性预浸带的自动双向铺放。近年来,Mikrosam也积极开发工艺集成化铺丝机器人装备,先后推出了创新的AFP/ATL与AFP&FW解决方案。AFP/ATL方案分别适用于热固性和热塑性预浸料,可以通过简单地更换铺放头,使设备在铺丝和铺带作业之间双向自如切换。

美国EI公司研制的机器人自动纤维铺放系统包括铺放导轨以及安装于其上的机器人,导轨上设有可安装AFP接头的接口。EI公司对高速AFP接头进行了一系列升级,使其自动化铺放速度达到传统AFP接头的2倍,生产的复合材料产品质量提升了近3倍。新的高速AFP接头还具有更高的加工精度,同时具备自动铺放过程实时监控的功能,支持更多样化、复杂、精密的复合材料零部件自动化生产

2.多机器人协同铺设随着对机器人相关交叉技术的深入研究,为满足实际生产中相对复杂的任务需求,可使用多个机器人相互协调工作,共同完成加工任务。多机器人方法意味着可以同时部署不同数量和宽度的丝束,从而提高制造效率和灵活性。

德国航空航天中心(DLR)首次测试了双工位生产法,两台机器人在具有重叠工作区域的轨道上同时铺设飞机机翼外壳纤维。数据表明,如果只采用一台机器人逐层铺设碳纤维,即使采用三班制工作也需要7天时间,延缓了新飞机的制造进程,而此项目首次测试即缩短了38%的生产时间,通过进一步优化程序以及固化工艺,将进一步有效缩减铺设工作时间。

为开发高速率、大型结构的航空复合材料制造技术,DLR启动了GroFi项目,即多机器人AFP/ATL制造单元。在DLR构造的GroFi单元中,可以使用五个机器人同时在工件的任意部分工作,通过在带电轨道上移动免去了繁琐的布线。在GroFi模式下,机翼蒙皮制造单元包括一个垂直方向的机翼蒙皮工件,工件被线性轴和转盘包围,机器人单元在其上进行操作以放置胶带和丝束。每个机械手单元均包括AFP/ ATL接头,多轴机械臂以及纱架。该系统的目标是生产下一代单通道商用飞机机翼。目前,项目仍处于攻克机器人单元协同编程障碍阶段,但其传达给商业机翼制造计划的潜在优势是显而易见的。

类似地,Mikrosam也提出了新型纤维铺放多机器人工作单元概念。

目前,双机器人铺设模式已经具备了投入生产应用的较为成熟的解决方案,多机器人铺设方法则仍需进一步开发与优化。总的来说,多机器人铺设模式是倍速提高生产效率的有效方法,标志着航空复材制造朝着生产中的冗余性和鲁棒性迈出了巨大的一步。

3.可移动机器人自动化铺设DLR在巴黎发布了一款极具创新性的可移动纤维铺放单元设备,该款移动单元在进行纤维自动铺放过程中可以自由移动,且纤维可直接铺放在模具中。该项目在JEC World 2019展出了样机,这一项目目前仍处于早期开发阶段,代号为Flappybot,意为灵活的自主生产铺设机器人。Flappybot源自GroFi项目,是一款三辊自动模块化AFP/ATL机器。与GroFi项目类似,DLR设想在工件上同时部署多个Flappybot,以制造大型商用飞机结构。

Flappybot集成了AFP/ATL系统的所有设备和功能,并将其封装在一个模块化的自驱动、可编程无线机器人中,该机器人通过在工件上移动将纤维和胶带放置在制造中的结构体上,该技术可以在现有的生产车间内使用。可移动机器人铺设方法创新地开辟了机器人自动铺丝的新模式,为未来大型商用飞机结构的高效灵活铺设带来无限可能。

关键技术

一是高精度铺丝头硬/软件研发。铺丝头作为铺丝设备的核心结构,其精度直接决定了材料的铺设精度与质量。航空工业对构件精度要求极高,提升和优化铺设精度是自动铺丝技术发展的永恒话题。硬件方面可以通过优化铺丝头结构设计降低铺放的操作难度,从而提高铺放精度;软件控制方面,需要通过增加传感器等闭环反馈手段完善丝束张力、模具标定、环境温湿度等工艺参数的控制,从而实现根据模具的变化实时调控压力精确控制铺放厚度。

二是铺丝头模块化、集成化研究。模块化可更换的铺丝头是简化装备结构、提高铺设效率的重要手段,目前已被多数机器人公司与航空制造公司所应用。集成化一方面体现在铺丝头的一头多用性,另一方面则是功能完整性,例如集成铺带、缠绕、缺陷检测、在线质检等功能,将上游或下游工序一体化不仅可以提高生产效率,也可以大大降低生产成本。

三是机器人平台轨迹规划与后处理。机器人平台的末端执行轨迹与定位精度会直接影响产品的成型精度。在现有定位的基础上,需要改进各关节运动控制算法,优化针对不同区域的铺设轨迹规划算法,实现高质高效铺设。

四是多机器人协同控制与管理。目前,如何精确控制多机器人的协作系统也成为机器人领域研究的热点问题之一,与之相关的调配管理与监控技术有待进一步研究与验证。

航空制造中的自动铺丝机器人应用

各工业科技公司的自动铺丝机器人产品销量不断增加,基于工业机器人平台的自动铺丝装备在机翼、机身、整流罩等复合材料构件的铺设上已得到成功应用。

2015年1月,美国国家航空航天局兰利研究中心启用了EI公司开发的先进复合材料集成结构装配设备,如图所示,ISAAC机器人具有加载了16个碳纤维丝轴的可替换铺丝头,旨在为航空航天飞行器开发更轻、强度更高的复合材料结构和材料,用于航空研究任务部的先进复合材料项目和空天技术任务部的复合材料上级探索项目。

2019年6月,英国国家复合材料中(NCC)斥资购入了Coriolis公司的新款C5自动铺丝机用于研发下一代机翼制造系统。Coriolis公司已在全球范围内安装了60多台机器人,这些机器人大多用于生产FAA和EASA认证的商用飞机,如空客A320,A350和A220(前庞巴迪C系列)。

2019年5月,美国Spirit System接收了EI公司最新研制的机器人自动纤维铺放系统,进一步巩固了其作为全球最大AFP技术应用厂商的优势地位。Spirit的研究和技术团队正在利用机器人AFP技术扩展可自动化制造的零部件类型,以摆脱零部件复杂程度和成本的限制。

对于多机器人铺设模式,空客A350旗舰机型上已经采用了DLR测试的双机器人新技术铺设机翼部件,使用碳纤维增强材料(CFK)完成了轻质机翼部件的铺设,生产效率得到显著提高。总之,基于机器人平台的自动铺设技术与装备在欧美都得到了良好地发展与应用,并积极向更高效的方向研发。随着研究的深入,自动铺丝机器人装备及系统会更加趋于稳定、成熟。

趋势与展望随着商用飞机与战斗机部件小型化、复杂曲面化发展,大型铺丝装备的适用性将逐渐降低,为机器人铺丝装备带来广阔的应用前景,并向着小型化、协作化、数字化的方向发展。

一是铺丝机器人趋于小型化、敏捷化。利用机器人作为小尺寸复合材料铺层装备的平台正在成为设备供应商的基本做法。在实现高定位精度与协同控制的技术基础上,将机器人小型化有利于提高平台运动的敏捷度,从而更高效地适应小批量、小尺寸的部件,同时也减少了场地与固定地基安装等成本,扩大了应用范围。

二是协作机器人走进自动铺丝车间。具有高安全性、高灵活性和高精度的协作机器人近年来得到了快速发展并成功运用于焊接、装配等领域。在飞机部件小型化的趋势下,利用成熟的协作机器人作为铺丝头平台成为可能。协作机器人可应用于多机器人铺设模式,在机器人进行铺设作业时,工艺人员可以安全地并行工作,这将进一步保障生产质量,提高铺设效率。

三是建成数字化智能铺设“未来工厂”。多机器人铺设模式与可移动铺设模式未来会广泛应用于生产车间,运用数字化手段可以使生产过程稳定可控,高效智能。例如结合实时传感和平台开发对铺丝过程进行仿真与反馈,实现虚实结合的高质量铺设;通过构建物联网络对机器人系统进行精准控制管理与监测维护,提高装备与生产流程的智能化程度。

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波音X-32飞机S型进气道也采用自动铺丝技术

自动铺丝技术(AFP)以其铺放灵活性和更低的废料率拓宽了复合材料的应用范围,实现了复合材料结构的“低成本、高性能”制造。近年来,用于制造大型复杂复合材料构件的自动铺丝技术获得了快速发展并得以工业化应用,其装备形式也呈多样化发展。基于机器人平台的自动铺丝技术以其高效铺放复杂构件的优势,受到了航空制造领域的高度关注。

应用背景

复合材料在航空工业中用量的大幅提升离不开自动化制造技术的强力支撑,如纤维缠绕、自动铺带、自动铺丝等技术。其中,自动铺丝技术以其实时性与可控性的优势,逐渐成为大型复合材料复杂部件的典型制造技术。典型的自动铺丝设备主要由机床主体、纱架系统、铺丝头三部分组成,根据机床主体的不同可分为立式、卧式和龙门式。

但受装载铺丝头的运动平台限制,对于不规则曲面类构件,机床型铺设设备往往无法满足轨迹、姿态调整与参数控制等方面的要求。此外,机床型铺丝装备体积大,面对小型、小批量部件铺设需求时运行成本较高。相比之下,工业机器人手臂能够提高铺丝头在可控空间范围内的姿态调整能力,增加了铺放过程中的柔性,可以满足回转部件的铺丝成型,提高铺放生产效率,降低设备运行成本。另一方面,各大机器人厂商如KUKA、ABB、FANUC等公司可以提供产品化的成熟机器人及控制系统,搭建铺放系统时可以依赖机器人本身的控制方案,既可靠稳定,又相对省时经济。因此,搭载机器人平台的铺丝装备因具备明显优点而逐渐成为发展与应用的热点。近年来,欧美各装备制造公司都针对搭载机器人平台的自动铺丝技术与生产模式展开了研究。

机器人自动铺丝的主要形式

根据平台主体与铺设模式的不同,机器人铺设可以分为单机器人模块化铺设、多机器人协同铺设以及可移动机器人自动化铺设三种类型。

1.单机器人模块化铺设单机器人铺设是目前应用最广且稳定高效的铺设形式。在进行铺放工作时,铺丝头通过末端法兰与机器人平台连接,可以为不同模具分别设计可拆装的铺丝头。这种模块化的铺放系统更具针对性,能更好地适应不同情况下的铺放需求。

法国Coriolis Composites公司是开发机器人自动铺丝设备的先行者,其研发的机器人式自动铺丝机功能强大,集成了预浸纱的储藏、输送、引导与切断等功能,铺丝头的运动功能通过一台KUKA或ABB机器人来实现。目前,Coriolis的新型铺丝头可以兼容铺放热固性、热塑性材料和干纤维,只要更换相应的加热模块,就能够一头多用。

为了进一步打入大型结构件市场,Coriolis 开发了新款C5自动铺丝机。C5自动铺丝机具备极高的铺丝效率、极低的废料产生率,是世界最先进、灵活的干纤维铺放系统之一,充分满足了几何形态高度复杂的零部件的生产需要,保证了航空工业对精度和重复生产的要求。

马其顿Mikrosam公司研发的自动铺丝系统可以在平面、弯曲和圆柱面上加工热塑性材料,并实现原位固化。这种8轴的机器人AFP系统能够自动精确地实现纤维铺放、预浸料放置,为采用复合材料制备复杂3D零件等提供可能。此外,该系统使用激光加热源,可实现精确的温度控制及热固性预浸带的自动双向铺放。近年来,Mikrosam也积极开发工艺集成化铺丝机器人装备,先后推出了创新的AFP/ATL与AFP&FW解决方案。AFP/ATL方案分别适用于热固性和热塑性预浸料,可以通过简单地更换铺放头,使设备在铺丝和铺带作业之间双向自如切换。

美国EI公司研制的机器人自动纤维铺放系统包括铺放导轨以及安装于其上的机器人,导轨上设有可安装AFP接头的接口。EI公司对高速AFP接头进行了一系列升级,使其自动化铺放速度达到传统AFP接头的2倍,生产的复合材料产品质量提升了近3倍。新的高速AFP接头还具有更高的加工精度,同时具备自动铺放过程实时监控的功能,支持更多样化、复杂、精密的复合材料零部件自动化生产

2.多机器人协同铺设随着对机器人相关交叉技术的深入研究,为满足实际生产中相对复杂的任务需求,可使用多个机器人相互协调工作,共同完成加工任务。多机器人方法意味着可以同时部署不同数量和宽度的丝束,从而提高制造效率和灵活性。

德国航空航天中心(DLR)首次测试了双工位生产法,两台机器人在具有重叠工作区域的轨道上同时铺设飞机机翼外壳纤维。数据表明,如果只采用一台机器人逐层铺设碳纤维,即使采用三班制工作也需要7天时间,延缓了新飞机的制造进程,而此项目首次测试即缩短了38%的生产时间,通过进一步优化程序以及固化工艺,将进一步有效缩减铺设工作时间。

为开发高速率、大型结构的航空复合材料制造技术,DLR启动了GroFi项目,即多机器人AFP/ATL制造单元。在DLR构造的GroFi单元中,可以使用五个机器人同时在工件的任意部分工作,通过在带电轨道上移动免去了繁琐的布线。在GroFi模式下,机翼蒙皮制造单元包括一个垂直方向的机翼蒙皮工件,工件被线性轴和转盘包围,机器人单元在其上进行操作以放置胶带和丝束。每个机械手单元均包括AFP/ ATL接头,多轴机械臂以及纱架。该系统的目标是生产下一代单通道商用飞机机翼。目前,项目仍处于攻克机器人单元协同编程障碍阶段,但其传达给商业机翼制造计划的潜在优势是显而易见的。

类似地,Mikrosam也提出了新型纤维铺放多机器人工作单元概念。

目前,双机器人铺设模式已经具备了投入生产应用的较为成熟的解决方案,多机器人铺设方法则仍需进一步开发与优化。总的来说,多机器人铺设模式是倍速提高生产效率的有效方法,标志着航空复材制造朝着生产中的冗余性和鲁棒性迈出了巨大的一步。

3.可移动机器人自动化铺设DLR在巴黎发布了一款极具创新性的可移动纤维铺放单元设备,该款移动单元在进行纤维自动铺放过程中可以自由移动,且纤维可直接铺放在模具中。该项目在JEC World 2019展出了样机,这一项目目前仍处于早期开发阶段,代号为Flappybot,意为灵活的自主生产铺设机器人。Flappybot源自GroFi项目,是一款三辊自动模块化AFP/ATL机器。与GroFi项目类似,DLR设想在工件上同时部署多个Flappybot,以制造大型商用飞机结构。

Flappybot集成了AFP/ATL系统的所有设备和功能,并将其封装在一个模块化的自驱动、可编程无线机器人中,该机器人通过在工件上移动将纤维和胶带放置在制造中的结构体上,该技术可以在现有的生产车间内使用。可移动机器人铺设方法创新地开辟了机器人自动铺丝的新模式,为未来大型商用飞机结构的高效灵活铺设带来无限可能。

关键技术

一是高精度铺丝头硬/软件研发。铺丝头作为铺丝设备的核心结构,其精度直接决定了材料的铺设精度与质量。航空工业对构件精度要求极高,提升和优化铺设精度是自动铺丝技术发展的永恒话题。硬件方面可以通过优化铺丝头结构设计降低铺放的操作难度,从而提高铺放精度;软件控制方面,需要通过增加传感器等闭环反馈手段完善丝束张力、模具标定、环境温湿度等工艺参数的控制,从而实现根据模具的变化实时调控压力精确控制铺放厚度。

二是铺丝头模块化、集成化研究。模块化可更换的铺丝头是简化装备结构、提高铺设效率的重要手段,目前已被多数机器人公司与航空制造公司所应用。集成化一方面体现在铺丝头的一头多用性,另一方面则是功能完整性,例如集成铺带、缠绕、缺陷检测、在线质检等功能,将上游或下游工序一体化不仅可以提高生产效率,也可以大大降低生产成本。

三是机器人平台轨迹规划与后处理。机器人平台的末端执行轨迹与定位精度会直接影响产品的成型精度。在现有定位的基础上,需要改进各关节运动控制算法,优化针对不同区域的铺设轨迹规划算法,实现高质高效铺设。

四是多机器人协同控制与管理。目前,如何精确控制多机器人的协作系统也成为机器人领域研究的热点问题之一,与之相关的调配管理与监控技术有待进一步研究与验证。

航空制造中的自动铺丝机器人应用

各工业科技公司的自动铺丝机器人产品销量不断增加,基于工业机器人平台的自动铺丝装备在机翼、机身、整流罩等复合材料构件的铺设上已得到成功应用。

2015年1月,美国国家航空航天局兰利研究中心启用了EI公司开发的先进复合材料集成结构装配设备,如图所示,ISAAC机器人具有加载了16个碳纤维丝轴的可替换铺丝头,旨在为航空航天飞行器开发更轻、强度更高的复合材料结构和材料,用于航空研究任务部的先进复合材料项目和空天技术任务部的复合材料上级探索项目。

2019年6月,英国国家复合材料中(NCC)斥资购入了Coriolis公司的新款C5自动铺丝机用于研发下一代机翼制造系统。Coriolis公司已在全球范围内安装了60多台机器人,这些机器人大多用于生产FAA和EASA认证的商用飞机,如空客A320,A350和A220(前庞巴迪C系列)。

2019年5月,美国Spirit System接收了EI公司最新研制的机器人自动纤维铺放系统,进一步巩固了其作为全球最大AFP技术应用厂商的优势地位。Spirit的研究和技术团队正在利用机器人AFP技术扩展可自动化制造的零部件类型,以摆脱零部件复杂程度和成本的限制。

对于多机器人铺设模式,空客A350旗舰机型上已经采用了DLR测试的双机器人新技术铺设机翼部件,使用碳纤维增强材料(CFK)完成了轻质机翼部件的铺设,生产效率得到显著提高。总之,基于机器人平台的自动铺设技术与装备在欧美都得到了良好地发展与应用,并积极向更高效的方向研发。随着研究的深入,自动铺丝机器人装备及系统会更加趋于稳定、成熟。

趋势与展望随着商用飞机与战斗机部件小型化、复杂曲面化发展,大型铺丝装备的适用性将逐渐降低,为机器人铺丝装备带来广阔的应用前景,并向着小型化、协作化、数字化的方向发展。

一是铺丝机器人趋于小型化、敏捷化。利用机器人作为小尺寸复合材料铺层装备的平台正在成为设备供应商的基本做法。在实现高定位精度与协同控制的技术基础上,将机器人小型化有利于提高平台运动的敏捷度,从而更高效地适应小批量、小尺寸的部件,同时也减少了场地与固定地基安装等成本,扩大了应用范围。

二是协作机器人走进自动铺丝车间。具有高安全性、高灵活性和高精度的协作机器人近年来得到了快速发展并成功运用于焊接、装配等领域。在飞机部件小型化的趋势下,利用成熟的协作机器人作为铺丝头平台成为可能。协作机器人可应用于多机器人铺设模式,在机器人进行铺设作业时,工艺人员可以安全地并行工作,这将进一步保障生产质量,提高铺设效率。

三是建成数字化智能铺设“未来工厂”。多机器人铺设模式与可移动铺设模式未来会广泛应用于生产车间,运用数字化手段可以使生产过程稳定可控,高效智能。例如结合实时传感和平台开发对铺丝过程进行仿真与反馈,实现虚实结合的高质量铺设;通过构建物联网络对机器人系统进行精准控制管理与监测维护,提高装备与生产流程的智能化程度。

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